utjecaj temperature na dubinu pougljiČenja

UTJECAJ TEMPERATURE NA DUBINU POUGLJIČENJA

Pinjušić, Katarina

Undergraduate thesis / Završni rad

2020

Degree Grantor / Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Karlovac University of Applied Sciences / Veleučilište u Karlovcu

Permanent link / Trajna poveznica: https://urn.nsk.hr/urn:nbn:hr:128:629487

Rights / Prava: In copyright

Download date / Datum preuzimanja: 2021-10-15

Repository / Repozitorij:

Repository of Karlovac University of Applied Sciences - Institutional Repository

https://urn.nsk.hr/urn:nbn:hr:128:629487

http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

https://repozitorij.vuka.hr

https://repozitorij.vuka.hr

https://zir.nsk.hr/islandora/object/vuka:1491

https://dabar.srce.hr/islandora/object/vuka:1491

VELEUČILIŠTE U KARLOVCU

STROJARSKI ODJEL PREDDIPLOMSKI STRUČNI STUDIJ STROJARSTVA

Katarina Pinjušić

UTJECAJ TEMPERATURE NA DUBINU

POUGLJIČENJA

ZAVRŠNI RAD

Karlovac, 2020.

VELEUČILIŠTE U KARLOVCU

STROJARSKI ODJEL PREDDIPLOMSKI STRUČNI STUDIJ STROJARSTVA

Katarina Pinjušić

UTJECAJ TEMPERATURE NA DUBINU

POUGLJIČENJA

ZAVRŠNI RAD

Mentor:

Tomislav Božić dipl.ing.stroj.

Karlovac, 2020.

I

VELEUČILIŠTE U KARLOVCU Trg J.J.Strossmayera 9

HR - 47000, Karlovac, Croatia

Tel. +385 - (0)47 – 843-500

Fax. +385 - (0)47 – 843-503

e-mail: dekanat @ vuka.hr

Klasa: 602-11/18-01/____ Ur.broj: 2133-61-04-18-01

ZADATAK ZAVRŠNOG / DIPLOMSKOG RADA

Datum:

ZADATAK ZAVRŠNOG RADA

Naslov teme na hrvatskom: Utjecaj temperature na dubinu pougljičenja

Naslov teme na engleskom: The influence of temerature on the depth of carburizing

Opis zadatka: Završni rad sastoji se od dva dijela, teoretskog i praktičnog (eksperimentalnog). U teoretskom dijelu rada opisati sve vrste čelika koje će se koristiti u eksperimentalnom dijelu, radi se o čelicima za cementaciju različitih osnovnih kemijskih sastava (Č.1221; Č 4320 i Č.5426). U nastavku teoretske razrade zadatka obraditi elementarno iz područja termodifuzije ugljika u krutim sredstvima (granulatu). U eksperimentalnom (praktičnom) dijelu rada sukladno zadanom planu pokusa provođenja eksperimenta, analizirati utjecaj temperatura procesa na dubine difuzija. Temeljem rezultata ispitivanja analizirati utjecaj temperature pougljičenja za svaki čelik kao i svake pojedinačne temperature na sve korištene čelike. Zadatak izvršiti sukladno pravilniku za izradu završnih radova VuKa.

Mentor: Predsjednik Ispitnog povjerenstva:

Ime i prezime Katarina Pinjušić

OIB / JMBG

Adresa Križ

Tel. / Mob./e-mail

Matični broj studenta 0110614043

JMBAG

Studij (staviti znak X ispred

odgovarajućeg studija) preddiplomski specijalistički diplomski

Naziv studija Stručni studij strojarstva

Godina upisa 2014.

Datum podnošenja molbe

Vlastoručni potpis studenta/studentice

II

IZJAVA

Izjavljujem da sam završni rad pod naslovom „Utjecaj temperature na dubinu

pougljičenja“ izradila samostalno koristeći se navedenim izvorima podataka i

znanjem stečenim tijekom studija Strojarstva na Veleučilištu u Karlovcu pod

mentorstvom Tomislava Božića, dipl.ing.stroj.

Katarina Pinjušić

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se svom mentoru Tomislavu Božiću, dipl.ing.stoj. što mi je

omogućio izradu ovog završnog rada, kao i na pruženoj stručnoj pomoći. Zahvaljujem

se tvrtki Adriadiesel d.d. na tehničkoj podršci pri izradi eksperimentalnog dijela ovog

rada.

Zahvaljujem svojoj obitelji i prijateljima na razumijevanju i velikoj podršci koju

su mi pružili tijekom studiranja.

IV

Naslov: UTJECAJ TEMPERATURE NA DUBINU POUGLJIČENJA

SAŽETAK

Ovim završnim radom ispitan je utjecaj temperature na dubinu pougljičenja.

Korišteni materijali su čelici za cementaciju C-15E, 16MnCr5 i 15CrNi13 kao

pokazatelji utjecaja kemijskog sastava i legirnih elemenata na dubinu pougljičenja.

U teorijskom dijelu rada opisani su čelici za cementaciju, termodifuzijski

postupci obrade, proces toplinske obrade cementacije s naglaskom na pougljičenje.

U eksperimentalnom djelu predstavljen je plan izvođenja pokusa, priprema radnih

komada, tijek proces toplinske obrade pougljičenja, kaljenja i niskotemperaturnog

popuštanja te izvođenje mehaničkih ispitivanja sa analizom dobivenih rezultata.

Postignutom analizom izveden je zaključak kako temperatura utječe na dubinu

pougljičenja.

Ključne riječi: pougljičenje, dubina pougljičenja, C-15E, 16MnCr5, 15CrNi13.

V

Title: THE INFLUENCE OF TEMERATURE ON THE DEPTH OF

CARBURIZING

SUMMARY

This final paper examined the influence of temperature on the depth of

carbonization. The material used is cementing steel C-15E, 16MnCr5, 15CrNi13 as

an indicator of the influence of chemical composition and alloying elements on the

depth of carbonization.

In the theoretical part is given a overview of cementing steels, thermodiffusion

processing procedures, the process of heat treatment of cementation with emphasis

on carbonisation. In the experimental part, the plan of the experiment, preparation of

the work pieces, the progresss of the process of heat treatment of carbonisation,

tempering and low temperature yielding and the performance of mechanical tests

with the analysis of the obtained results are presented. The archived analysis

concluded that temperature affected on the depth of carbonization.

Keywords: carburizing, depth of carburizing, C-15E, 16MnCr5, 15CrNi13.

VI

SADRŽAJ

ZADATAK ZAVRŠNOG RADA .................................................................................... I

IZJAVA ....................................................................................................................... II

ZAHVALA .................................................................................................................. III

SAŽETAK .................................................................................................................. IV

SUMMARY ................................................................................................................. V

1. UVOD ................................................................................................................... 1

2. ČELICI ZA CEMENTACIJU .................................................................................... 2

3. TERMODIFUZIJSKA (TERMOKEMIJSKA) TOPLINSKA OBRADA ....................... 6

4. CEMENTACIJA ...................................................................................................... 7

5. POUGLJIČENJE .................................................................................................... 9

5.1.DUBINA POUGLJIČENJA ........................................................................... 12

5.2. POUGLJIČENJE U KRUTOM SREDSTVU ................................................ 14

5.3. POUGLJIČENJE U TEKUĆIM SREDSTVIMA ............................................ 17

5.4. POUGLJIČENJE U PLINOVITIM SREDSTVIMA ........................................ 18

5.5. VAKUUMSKO POUGLJIČENJE ................................................................. 20

5.6. PLAZMA POUGLJIČENJE .......................................................................... 20

6. KALJENJE ............................................................................................................ 21

6.1. DIREKTNO KALJENJE ............................................................................... 23

6.2. JEDNOSTRUKO KALJENJE ..................................................................... 24

6.3. DVOSTRUKO KALJENJE ........................................................................... 25

7. NISKOTEMPERATURNO POPUŠTANJE ............................................................ 26

8. EKSPERIMENTALNI DIO ..................................................................................... 27

8.1. EKSPERIMENTALNI MATERIJAL ................................................................. 27

8.2. PLAN EKSPERIMENTALNOG DIJELA .......................................................... 29

8.3. PROCES TOPLINSKE OBRADE – CEMENTACIJA ...................................... 30

8.4. ISPITIVANJE TVRDOĆE I DUBINE POUGLJIČENJA ................................... 36

10. ZAKLJUČAK ....................................................................................................... 60

LITERATURA ........................................................................................................... 61

POPIS OZNAKA ....................................................................................................... 62

POPIS SLIKA ........................................................................................................... 63

POPIS TABLICA ....................................................................................................... 65

1

1. UVOD

Toplinska obrada definira se kao postupak u kojem se neki materijal

podvrgava djelovanju temperaturno-vremenskim ciklusima u svrhu promjene

postojeće i postignuću željene mikrostrukture, a time i željenih (mehaničkih,

kemijskih, fizikalnih…) svojstava. Kod toplinske obrade najvažniji parametri su

temperatura i vrijeme pomoću kojih se crta dijagram postupka toplinske obrade. [1]

Slika 1. Opći dijagram procesa toplinske obrade [1]

Cilj termokemijske toplinske obrade je promjena kemijskog sastava površine

(cementiranje ili pougljičenje, nitriranje ili dušičenje, boriranje, karbonitriranje i dr.).

U ovom radu kratko će se opisati čelici za cementaciju te termodifuzijski

procesi. Detaljnije će se obraditi proces cementacije s naglaskom na pougljičenje. U

eksperimentalnom dijelu objasnit će se odnos dubine pougljičenja i temperature kod

tri vrste čelika za cementaciju.

2

2. ČELICI ZA CEMENTACIJU

Čelici za cementaciju predstavljaju konstrukcijske čelike kojima se nakon

obrade odvajanjem čestica pougljičava rubni sloj. Nakon pougljičavanja rubnog sloja

provodi se kaljenje kako bi se postigla visoka otpornost na trošenje rubnih slojeva, te

povišena žilavost niskougljične jezgre. Čelici za cementaciju uglavnom sadrže 0,1 –

0,2% ugljika prije pougljičavanja, a mogu biti ili nelegirani ili niskolegirani. Nakon

pougljičenja rubni sloj sadrži 0,8 – 0,9% ugljika, te se postupkom kaljenja postiže

tvrdoća 61 – 64 HRC. [1]

Čelici za cementaciju mogu se podijeliti u tri grupe (tablica 1):

• kvalitetni čelici (npr. C10 i C15),

• nelegirani plemeniti čelici (npr.Ck10 i Ck15),

• legirani plemeniti čelici (npr. 15Cr3, 16MnCr5 itd.)

Tablica 1. Čelici za cementaciju [2]

Oznaka

čelika

Sastav

„ostalo“ %

Tvrdoća u

isporučenom

stanju, HB

Slijepo kaljeno 30mm Kaljenje

Rp 0,2, N/mm2

min Rm, N/mm2

A5, %

min Jezgra, ºC Rub, ºC

C10

C15

-

-

90-126

103-140

295

355

490-640

590-790

16

14 880-920;voda -

Ck10

Ck15

-

-

90-126

103-140

295

355

490-640

590-790

16

14 880-920;voda -

15Cr3 - 118-160 440 690-890 11 870-900;voda, ulje -

16MnCr5 1Cr 140-187 590 780-1080 10 850-880;ulje 810-840;ulje

20MnCr5 1,2Cr 152-201 685 980-1280 7 850-880;ulje 810-840;ulje

20CrMo5 0,25Mo

1,1Mn 152-201 785 1080-1380 7

850-880;ulje

810-840;ulje

20MoCr4 0,4Cr 140-187 590 780-1080 10 890-920;ulje -

15CrNi6 1,5Ni 152-201 635 880-1180 9 840-870;ulje 800-830;ulje

18CrNi8 2Ni 170-217 785 1180-1430;

ulje 7 840-870;ulje 800-830; ulje

3

Prema masenom udjelu nečistoća čelici za cementaciju spadaju u kvalitetne i

plemenite čelike. Razlika među njima je u tome da plemeniti čelici sadrže manji

maseni udio sumpora i fosfora (<0,035 %) od kvalitetnih (<0,045 %), imaju jednolična

svojstava na rubu i jezgri, veću kvalitetu površine i manji broj nemetalnih uključaka u

mikrostrukturi. Glavne grupe plemenitih čelika su čelici jednostruko legirani kromom,

čelici legirani kromom i manganom, čelici legirani kromom i molibdenom, čelici

legirani kromom i niklom.

Niskougljični čelici s 0,1-0,2% ugljika nisu skloni povišenju tvrdoće kaljenjem

(tek čelici s 0,25% C). Radi zakaljivanja i povećanja otpornosti na abrazijsko trošenje,

potrebno ih je pougljičiti (npr. granulat, solna kupka, plin), što rezultira povišenjem

sadržaja ugljika u rubnim slojevima (0,8-0,9%C). Ugljikom obogaćeni rub postaje

zakaljiv, tj. gašenjem s odgovarajuće temperature austenitizacije postaje sklon

poprimanju mikrostrukture visokougljičnog martenzita otpornog na trošenje.

Pougljičena jezgra postaje feritno-perlitna ako proizvod nije prokaljen tj. nastaje

niskougljični martenzit u slučaju prokaljivanja.

Slika 2. Mikrostruktura cementiranog zupčanika izrađenog iz čelika 16MnCr5 [2]

Obje navedene mikrostrukture karakterizira visoka udarna radnja loma pa je

konačni proizvod otporan na trošenje s znatnim iznosom žilavosti.

4

Kod legiranih čelika poželjna je prokaljenost jer se cementirani čelici nisko

popuštaju (≤220 °C) pa se žilavost jezgre postiže niskougljičnim martenzitom.

Čelici za cementaciju se rijetko visoko popuštaju, a ako se to i dogodi tada se

smatraju niskougljičnim čelicima za poboljšanje. Visoko popuštanje ne kombinira

se s postupkom pougljičenja jer bi pougljičeni rub pri popuštanju na temperaturi

>220 °C toliko omekšao da ne bi bio dovoljno otporan na trošenje.

Svrha legirajućih elemenata je utjecaj na jače prokaljivanje pri gašenju nakon

pougljičavanja. Legirajući elementi utječu na brzinu procesa pougljičavanja, dubinu

pougljičenog sloja te sadržaj ugljika u površinskoj zoni. Karbidotvorci poput kroma,

molibdena, mangana i vanadija snižavaju koeficijent difuzije ugljika u austenitu,

odnosno povećavaju udio ugljika u površinskom sloju, što uzrokuje intenzivno

stvaranje karbida i moguću pojavu površinskih pukotina.

Jedan od glavnih problema pri propisivanju postupka pougljičenja i kaljenja je

određivanje pravilne temperature gašenja. Budući da u isto vrijeme postoje mjesta s

visokim sadržajem ugljika (rub s preko 0,8%) i niskim sadržajem ugljika (jezgra s

ispod 0,2%) potrebno je izabrati kompromisnu temperaturu gašenja. Temperatura

gašenja treba biti niža od one idealne za jezgru (temperatura kod koje se rubni sloj

pregrijava što uzrokuje pogrubljenje martenzita i porast krhkosti) i viša od idealne za

visokougljični rub (kod koje je nepotpuno zakaljivanje jezgre). U tom pogledu

najmanje problema se javlja kod nelegiranih čelika, kod kojih se dopušta tzv. direktno

kaljenje, tj. gašenje s temperature pougljičenja.

Zbog prisutnosti kroma i molibdena čelici Č.4120 i Č.7420 smiju se direktno

kaliti jer nisu skloni rastu zrna pri visokoj temperaturi postupka pougljičenja. Sve

ostale legirane čelike treba nakon pougljičenja sporo ohladiti radi usitnjenja zrna koje

je pougljičenjem ogrubjelo. Zatim ih je potrebno ponovno austenitizirati do

temperature koja je nešto viša od one potrebne za rub, te zakaliti. Nakon

pougljičavanja u kupki ne provodi se sporo hlađenje zbog opasnosti od pojave

kemijskih reakcija između ostataka soli i čelika.

Legirajući elementi utječu na dubinu cementiranog sloja preko koncentracije

ugljika u rubnom sloju. Nekarbidotvorci (npr. nikal, mangan) omogućavaju postizanje

veće dubine cementacije nego karbidotvorci (npr. krom, molibden, vanadij).

5

Glavne karakteristike pojedinih vrsta čelika za cementaciju su:

a) Nelegirani kvalitetni i plemeniti čelici: kaljivi samo u vodi, svojstva jezgre su loša,

zbog čega se primjenjuju samo za dijelove manjih dimenzija i malih udarnih

opterećenja kao što su dijelovi šivaćih i pisaćih strojeva, poluge, svornjaci.

b) Kromom legirani čelici: skloni stvaranju karbida u pougljičenom rubnom sloju,

direktno su kaljivi u vodi i prokaljivi u ulju. Primjena u automobilskoj industriji za

poluosovine, bregaste osovine, manji zupčanici itd.

c) Mn-Cr čelici: zbog mangana manje skloni pojavi karbida u rubnom sloju, osjetljivi

na pregrijavanje. Prikladni za izradu proizvoda srednjih dimenzija npr. zupčanici

alatnih strojeva, radilice u kliznim ležajevima itd.

d) Cr-Mo i Mo-Cr čelici: sposobnost za direktno gašenje, vrlo otporni na trošenje zbog

molibdena koji kao jaki karbidotvorac stvara karbide, ali ipak dovodi do toga da čelik

postaje osjetljiviji pa je pougljičavanje potrebno provesti u blažem sredstvu i u kraćem

vremenu. Primjenjuju se za cijevi, komore i posude pod tlakom.

e) Cr-Ni čelici: vrlo dobro su prokaljivi, no skloni pojavi zaostalog austenita u rubnim

slojevima, a primjena im je u izradi proizvoda najvećih dimenzija kao što su

zupčanici lokomotiva, te za rad u otežanim uvjetima.

6

3. TERMODIFUZIJSKA (TERMOKEMIJSKA) TOPLINSKA OBRADA

Termodifuzija je gibanje plinovite ili tekuće tvari izazvano lokalnim zagrijavanjem

ili hlađenjem što ima za posljedicu da se čestice veće mase gibaju od područja više

temperature prema hladnijem području, dok čestice manje mase difundiraju u

područje s višom temperaturom.

Termodifuzijska obrada je toplinska obrada pri kojoj se toplinskim i kemijskim

djelovanjem, koji se provode u odgovarajućim medijima (krutim, plinovitim, tekućim)

mijenja struktura i kemijski sastav materijala, a time i poboljšavaju neka uporabna

svojstva. Za cilj ima povećanje površinske otpornosti na trošenje proizvoda,

povećanje tvrdoće u površinskom sloju, povećanje otpornosti na koroziju te

povećanje otpornosti prema oksidaciji na povišenoj temperaturi.

Kod ove vrste obrade jezgra ostaje kemijski nepromijenjena, te tako može zadržati

visoku žilavost koja se postiže niskim sadržajem ugljika u čeliku i prokaljivanjem

niskougljične (legirane) jezgre u cilju dobivanja masivnog i žilavog martenzita.

Termodifuzijske obrade možemo podijeliti na:

Cementaciju ili pougljičenje – povećanje sadržaja ugljika u površinskom sloju

komada

Nitriranje – povećanje sadržaja dušika (N) u površinskom sloju komada

Karbonitriranje – povećanje sadržaja dušika i ugljika u površinskom sloju

komada

Nitrokarburiranje – nitriranje s dodatkom atoma ugljika i u manjoj mjeri kisika

Boriranje – povećanje sadržaja bora (B) u površinskom sloju komada

Termodifuzija metala

7

4. CEMENTACIJA

Cementacija čelika je postupak obrade koji se sastoji od:

Termokemijske obrade pougljičenja (obogaćivanjem površinskog sloja

proizvoda ugljikom)

Kaljenja (pougljičeni sloj se dovodi u martenzitnu strukturu) proizvoda i

niskotemperaturnog popuštanja

Pojednostavljeno, možemo reći da je

Cementacija = pougljičenje + kaljenje + niskotemperaturno popuštanje.

Osnovni cilj cementacije je postizanje tvrdih površinskih slojeva nekog strojnog dijela

otpornih na trošenje (visoka tvrdoća), tako da jezgra tog strojnog dijela postigne što

višu otpornost na udarna opterećenja tj.da se postigne što veća žilavost jezgre.

Slika 3. Dijagram postupka cementacije [3]

Slika 2 prikazuje dijagram jednog od mogućih postupaka cementiranja. Temperatura

austenitizacije pri kaljenju nakon pougljičenja ne može istovremeno biti optimalna za

rubni sloj koji je visokougljičan i za jezgru koja je niskougljična jer se koncentracije

ugljika znatno razlikuju.

8

Cementacija ima najbolji učinak kod ugljičnih i niskolegiranih čelika za

cementiranje, s udjelom ugljika od 0,1 do 0,25%, te na čelike koji sadrže jedan ili više

legirnih elemenata: mangan, krom, molibden i nikal. Površine čelika se obogaćuju

ugljikom približno od 0,6 do 1,0%, najčešće od 0,7% do 0,8%. Dubina pougljičenog

površinskog sloja obično iznosi od 0,2 do 3 mm, najčešće oko 1,0 mm. O svim

navedenim svojstvima ovise uporabna svojstva površinskog sloja.

Za cementiranje se uzimaju niskougljični čelici, jer bi samim kaljenjem ili

postizali visoku žilavost ili je barem zadržavali onakvom kakva je bila prije kaljenja.

No kako ti čelici samim kaljenjem ne postižu visoku površinsku tvrdoću, treba im

prikladnim toplinskim postupkom povisiti sadržaj ugljika u površinskim slojevima,

kako bi postali bolje zakaljivi (Slika 3). Prema tome, nositelj otpornosti na udarna

opterećenja cementiranog strojnog dijela bit će njegova jezgra, a nositelj otpornosti

na trošenje njegovi površinski slojevi.

Slika 4. Burns-ov dijagram [4]

9

5. POUGLJIČENJE

Pougljičenje je najčešće korišten postupak kemijsko-toplinske obrade. Proces

pougljičenja provodi se na visokim temperaturama, obično od 880 do 950 °C, no

može se provoditi i od 800 do 1050°C. Pougljičenje se ponekad koristi na 1010°C

kada je potrebno smanjiti vrijeme procesa, dobiti veću dubinu površinskog sloja od

1,5 mm i povećati proizvodnost.

Proces pougljičenja sastoji se iz tri fizikalno-kemijske etape:

disocijacija sredstva za pougljičenje,

adsorpcija ugljika na površini,

difuzija ugljika od površine prema unutrašnjosti materijala.

Postupak pougljičenja provodi se u sredstvu koje omogućava da na temperaturi

austenitizacije čelika (900 do 950 °C) predaje čeliku ugljik tj. njenu dinamičku

izdržljivost. Previše bi ugljika rezultiralo nastajanjem slobodnog cementita i krhkosti, a

premalo ugljika ne bi dalo zadovoljavajuću tvrdoću. Sadržaj apsorbiranog ugljika, tj.

površinska koncentracija i efektivna dubina pougljičenja ovise o:

kvaliteti čelika,

potencijalu ugljika,

sredstvu za pougljičenje,

temperaturi pougljičenja,

vremenu pougljičenja.

Sredstvo za pougljičenje karakterizirano je ravnotežnim sadržajem ugljika,

odnosno 'potencijalom ugljika' (C-potencijal).

Zagrijavanjem na potrebnu temperaturu i držanjem na istoj dolazi do reakcije u

graničnom sloju i difuzije ugljika u površinu materijala.

10

Slika 5. Prikaz procesa pougljičenja čelika [3]

Na graničnoj ravnini odvija se pougljičenje, tj. obogaćivanje površine predmeta

ugljikom (prijelaz ugljika). Kako se sadržaj ugljika na površini pougljičenog

predmeta povisuje u odnosu na njegovu jezgru, ugljik dalje difundira u unutrašnjost

prema jezgri.

Vrijeme pougljičenja se u plinskim atmosferama za nelegirane čelike može

praktično odrediti očitavanjem odnosa efektivne dubine i vremena pougljičenja iz

dijagrama. Za legirane se čelike vrijeme pougljičenja u odnosu na zahtijevanu dubinu

cementacije određuje eksperimentalno jer legirni elementi utječu na tijek difundiranja

ugljika u materijal.

11

Slika 6. Utjecaj trajanja pougljičenja na dubinu pougljičenja [3]

Pri temperaturi pougljičenja sredstva daju odgovarajući tzv. potencijal ugljika

(C - potencijal) koji je viši od sadržaja ugljika u čeliku. Zbog toga se ugljik putem

odgovarajućih kemijskih reakcija apsorbira u površinski sloj čelika te dalje difundira u

unutrašnjost strojnog dijela. Povećanje temperature osjetno povećava dubinu

pougljičavanja.

Brzina pougljičenja je u početku veća i ravnomjerno opada s trajanjem

pougljičavanja. Ovisno o trajanju pougljičavanja dobit će se odgovarajuća dubina

pougljičenja i ona će biti tim dublja što je trajanje pougljičavanja dulje.

12

Slika 7. Utjecaj temperature na dubinu pougljičenja za Č.1220 [3]

5.1.DUBINA POUGLJIČENJA

Pri postupku pougljičenja čelika teži se udjelu C pri samoj površini 0,8...0,9%C

(rjeđe do 1 %C) tj. nadeutektoidnosti samog idealnog ruba. Ovako zadani zahtjevi

rijetko se mogu postići, osobito kada se teži što većoj dubini cementacije tj. uz dulja

vremena pougljičenja. Takvi slučajevi dovode do preugljičenja (udio ugljika na samoj

površini raste čak do ~1,2%).

Kada bi s cementiranog predmeta postepeno skidali tanke slojeve (npr.

tokarenjem), te kada bi izvršili kemijsku analizu svakog skinutog sloja, mogli bi uočiti

da se (u normalnom slučaju) udio ugljika postupno mijenja od ~1%C na oko 0,2%C,

idući od ruba prema jezgri. Prema tome sam pougljičeni sloj ne smije se smatrati

jednim jedinstvenim materijalom s određenim udjelom C, nego teorijski

beskonačnim nizom materijala (ili vrlo velikim brojem slojeva), kod kojih udio C

kontinuirano pada od ruba prema jezgri.

13

Slika 8. Prikaz tijeka promjene udjela ugljika u pougljičenom sloju [3]

Metode pougljičenja obzirom na izvor ugljika:

1. Pougljičenje u krutim sredstvima – kao sredstvo za pougljičenje koristi se

granulat koji se sastoji od smjese drvenog ugljena kao nositelja ugljika,

aktivatora BaCO3 i veziva.

2. Pougljičenje u tekućim sredstvima – provodi se u rastaljenim solima kalijeva i

natrijeva cijanida i odgovarajućim aktivatorima.

3. Pougljičenje u plinovitim sredstvima – sredstvo za pougljičenje su plinske

atmosfere koje sadrže spojeve ugljika (CO, CH4 , itd.), te čine ovu metodu

pougljičenja znatno bržom nego u granulatu, a moguća je i kvalitetnija

regulacija C - potencijala atmosfere, kao i rad s više C - potencijala, odnosno

promjenljivim C -potencijalom.

4. Vakuumsko pougljičenje – obrađivanje čelika u vakuumu u plinovitoj atmosferi

koja može biti sastavljena od ugljika, ugljikovodika, smjese ugljikovodika te

smjese ugljikovodika i dušika.

5. Plazma pougljičenje (ionizirani plinovi) – konstantan C - potencijal se regulira

putem gustoće struje; dolazi do bombardiranja površine čelika koncentracijom

ugljikovih iona.

14

Slika 9. Utjecaj vremena držanja izratka ( na temperaturi pougljičenja) na dubini

pougljičenog sloja za različita sredstva pougljičenja [5]

5.2. POUGLJIČENJE U KRUTOM SREDSTVU

Najstariji postupak pougljičenja koji se koristi i danas zbog svoje jednostavnosti i

niskih ulaganja u opremu i postupak pougljičenja. Smjesa koja se koristi za

pougljičenje je mješavina drvenog uglja, aktivatora i veziva u obliku zrnatog granulata

od 3 do 5 mm.

Za aktivator se može koristiti natrijev karbonat Na2CO3, no najčešće se koristi

barijev karbonat (BaCO3) koji se pri visokim temperaturama raspada na ugljični

dioksid i barijev oksid.

𝐵𝑎𝐶𝑂3 → 𝐵𝑎𝑂 + 𝐶𝑂2 (1)

Dobiveni ugljični dioksid reagira s ugljikom iz granulata tvoreći ugljikov

monoksid:

𝐶𝑂2 + 𝐶 ⟷ 2𝐶 (2)

15

Nadalje, nastaje ravnotežna plinska atmosfera koja u kontaktu s površinom čelika

uzrokuje pougljičenje.

2𝐶𝑂 ⟷ [𝐶] + 𝐶𝑂2 (3)

Ugljik se ugrađuje u austenitno zrno koje difuzijom prodire u unutrašnjost jezgre.

Ugljikov dioksid sada ponovo reagira uz prisustvo ugljena što dovodi do obnove

ugljičnog monoksida tj. plinske atmosfere, čime se omogućava obnova cijeloga

procesa.

𝐶𝑂2 + 𝐶 ⟷ 2𝐶𝑂 (4)

Cijeli proces odvija se u plinskoj fazi, iako je sredstvo za pougljičenje u krutom

stanju. Sredstvo je u obliku granulata jer je za pougljičenje nužna cirkulacija plinova

koja je omogućena jer je granulat kompaktan tijekom cijelog procesa. Stoga, za

primjer, prašak kao oblik krutog sredstva za pougljičenje ne možemo upotrijebiti zbog

nedostatka šupljina između čestica praška.

Ovisno o kvaliteti te vrsti i sadržaju aktivatora, razlikujemo više vrsta granulata.

Prema djelovanju sredstva se dijele na „oštra“ i „blaža“, što se može uočiti kod

postizanja određenog sadržaja ugljika i opasnosti nastajanja karbida u površinskom

sloju.

Postupak pougljičenja u krutim sredstvima započinje tako da najprije

napunimo čeličnu kutiju s granulatom do određene visine (13 – 50 mm). Ovisno o

učestalosti uporabe, kalupi mogu biti od ugljičnog čelika ili čeličnog lijeva kod

povremenog pougljičenja, i toplinski otporni krom-nikal čelici kod redovnog

pougljičenja. Nakon tako pripremljenog kalupa, na taj sloj rasporede se željeni dijelovi

koji se zatim prekrivaju s ostatkom smjese granulata. Kako bi spriječili ulazak zraka u

kutiju, poklopac se zabrtvi glinom ili šamotnim mortom. Kutija se potom stavlja u

zagrijanu peć na 700°C, te se postepeno zagrijava na temperaturu pougljičenja

(850°C - 950°C). Vrijeme držanja na temperaturi pougljičenja

ovisi o materijalu, sposobnosti granulata da materijal pougljiči i zahtijevanim

dubinama cementiranja. Još uvijek ne postoji pouzdana metoda kontinuiranog

kontroliranja C-potencijala u krutim sredstvima, stoga najznačajnije korekcije

postupka moguće je izvršiti odabirom najprikladnije temperature pougljičenja. Nakon

16

obrade, kutija se vadi iz peći, dijelovi odvajaju od granulata, a kutija s ostatkom

granulata nadopunjava svježim granulatom u određenom omjeru.

Slika 10. Pougljičenje u krutom sredstvu [5]

Prednosti procesa pougljičenja u krutom sredstvu:

• jednostavnost,

• minimalna ulaganja u opremu,

• dovoljno zadovoljavajuća kvaliteta procesa.

Nedostaci procesa pougljičenja u krutom sredstvu:

• nepogodan za serijsku proizvodnju,

• nemogućnost kontrole i regulacije C-potencijala,

• opasnost od nastajanja karbida,

• opasnost od lokalnog razugljičavanja u fazi ohlađivanja.

17

5.3. POUGLJIČENJE U TEKUĆIM SREDSTVIMA

Izvodi se uranjanjem obratka u solne kupke dobivene taljenjem natrijeva ili

barijeva klorida. Ugljik za pougljičenje dolazi iz cijanida koji su prvenstveno natrijev

cijanid (NaCN) ili kalijev cijanid (KCN). Cijanidi, obzirom da uz ugljik sadrže i dušik,

obogaćuju površinu i dušikom. Iz tog razloga ove su soli specifične jer se (pri

različitim temperaturama) mogu koristiti za cementiranje, nitriranje i karbonitriranje.

Solne kupke svrstavamo u dvije osnovne skupine:

1. Aktivne solne kupke – uz cijanide sadrže i aktivatore (barijev ili stroncijev

klorid) koji podržavaju i oslobađaju ugljik potreban za pougljičenje,

snižavaju temperaturu taljenja i viskoznost kupke. Proces se provodi na

temperaturama od 900 do 1000°C pri čemu se postiže udio ugljika od 0,5%

do 1,2%. Tijekom procesa kontrolira se sadržaj cijanida, te C-potencijal. U

slučaju potrebe kupka se nadopunjava najčešće gotovim smjesama soli

cijanida i aktivatora. Pošto su cijanidi vrlo otrovni, obratke je nakon procesa

kaljenja potrebno neutralizirati držeći ih 5-10 min u spremnicima s

otopinom željezovog sulfata. Zatim se detaljno ispiru 5 min toplom vodom.

2. Neaktivne solne kupke – primjenjuju se za karbonitriranje pri temperaturi

do 850°C i dubine do 0,5 mm, što postiže rezultat od 0,4% do 0,6% ugljika

na površini obratka. Sam proces je otvoren i u doticaju sa zrakom.

Kontrolira se samo sadržaj cijanida, te ako je sadržaj mali, kupka se

nadopunjuje svježom soli.

Dubine pougljičenja zavise o C-potencijalu, vremenu pougljičenja i temperaturi pri

kojoj se odvija proces te o vrsti čelika.

Prednosti pougljičenja u tekućim sredstvima:

• jednostavnost postupka,

• mala ulaganja u opremu,

• jednolično postignute dubine pougljičenja,

• prikladan za serijsku i masovnu proizvodnju.

18

Nedostaci pougljičenja u tekućim sredstvima:

• nemogućnost konstantnog kontroliranja i reguliranja sastava kupke i

C-potencijala,

• zbrinjavanje cijanida,

• neutralizacija otpadnih soli i voda.

5.4. POUGLJIČENJE U PLINOVITIM SREDSTVIMA

Pougljičenje u plinovitim sredstvima je moderan način pougljičenja, vrlo sličan

već spomenutim postupcima, ali bez kontrole nad nastalim plinom u površini izratka.

Ovdje se međutim potrebni plinovi razvijaju u generatorima kontroliranim procesom

smjese plina (ugljični monoksid CO, vodika H2, vodene pare). Jednostavno se

regulira C - potencijal i ima veliku primjenu u velikoserijskim proizvodnjama

(automobilska industrija).

Za pougljičenje se koriste i razni gorivi plinovi, koji u kontaktu s užarenom

površinom čeličnog izratka disociraju i stvore već poznate uvjete pougljičenja.

Razvijen je postupak uvođenja kapljevitog metanola (metilnog alkohola 𝐶H3 ∙ OH) u

komoru s čeličnim izradcima za pougljičenje, gdje isparava na temperaturi

pougljičenja i oslobađa potrebne plinske komponente za proces pougljičenja.

Peći za pougljičenje mogu biti jamaste, prolazne i specijalne komore, ovisno o

zahtjevima. Zbog svoje prikladnosti za cementiranje kod velikoserijske i masovne

proizvodnje postupak se izvodi u višekomornim pećima u kojima je komora za

ugrijavanje odvojena od komore za ohlađivanje, što daje bolju iskoristivost.

Prilikom pougljičenja u plinu nužno je imati pod kontrolom temperaturu,

vrijeme i sastav atmosfere pougljičenja. Temperaturu je poželjno držati oko 925 °C

kako bi se ostvarilo razumno brzo pougljičenje bez negativnih posljedica i kako bi se

ostvarila preciznija kontrola dubine pougljičenja. Kako bi postigli što bolje rezultati

pougljičenja u plinu obratci se ugrijavaju na temperaturu pougljičenja u gotovo

neutralnoj atmosferi poput endo-plina. Kada temperatura u presjeku obratka bude

19

jednaka, u peć se uvodi plin za obogaćivanje. Kontrola temperature bi trebala biti

preciznosti ±3 °C pomoću pravilno postavljenih termoparova.

Ovisno o vrsti plinske atmosfere moguće su tri reakcije pomoću kojih se

kontroliraju atmosfere, a one mogu biti:

1. Uz prisustvo ugljičnog monoksida kod kojega se sadržaj CO2 kontrolira

kontinuirano mjerenjem apsorpcije infracrvenog zračenja.

2. Uz prisustvo ugljičnog monoksida i vodika kod kojega C-potencijal mjerimo na

temelju kontroliranja sadržaja vodene pare (H2O) određivanjem točke

kondenzacije.

3. Uz prisustvo metana, C-potencijal atmosfere je moguće kontrolirati i preko

odnosa parcijalnih pritisaka vodika i metana u zavisnosti o temperaturi.

U nastojanju postizanja potpune kontrole C-potencijala u procesu pougljičenja,

poznajemo još dvije metode pomoću kojih ugljikovodicima određujemo koncentraciju

nekih od sastojaka (CO2, O2, vodena para), a to su metoda upotrebom tzv. kisikove

sonde s kojom se mjeri parcijalni pritisak kisika, te metoda mjerenjem infracrvenim

plinskim analizatorom koji radi tako da emitirano zračenje dijeli u dvije zrake gdje

jedna prolazi kroz uzorak plinske atmosfere iz peći, a druga kroz referentni plin. Na

izlazu detektor mjeri razliku apsorbiranih zraka.

Prednosti pougljičenja u plinu:

• velikoserijska i masovna proizvodnja,

• kontrola nastalog plina uz površinu izratka,

• veći izbor različitih metoda.

Nedostaci pougljičenja u plinu:

• opasnost od zapaljivosti, požara i eksplozije,

• otrovnost plinova.

20

5.5. VAKUUMSKO POUGLJIČENJE

Za razliku od plinskog pougljičenja, kod vakuumskog se C-potencijal određuje

zasićenjem ugljika na površini čelika i vremenom pougljičenja kod određenih

temperatura. Postupak se odvija na temperaturi od 900°C do 1040°C i u plinskoj

atmosferi koja može biti sastavljena od vodika, ugljikovodika, smjese ugljikovodika i

smjesa ugljikovodika i dušika.

Vakuumsko pougljičenje vrši se u vakuumskoj peći koja se izgrađuje od grafita

ili keramike kako bi se izdržali visoki tlakovi. Radi sprečavanja prekomjernog

taloženja ugljika u peći, tlakovi ne smiju prijeći zadanu vrijednost od 0,4%.

Prednosti vakuumskog pougljičenja:

• čistoća obrađivanih predmeta,

• nema potrebe za endotermnim generatorom,

• više radne temperature, kraće vrijeme, veće debljine sloja pougljičenja,

• bolja mehanička svojstva.

Nedostaci vakuumskog pougljičenja:

• skupa oprema,

• nužan kompromis i balans između procesnih uvjeta radi zadovoljenja

potrebnih zahtjeva (dubine pougljičenja, brzine i smanjenja rizika od

čađe).

5.6. PLAZMA POUGLJIČENJE

Kod plazma pougljičenja konstantan C - potencijal se ne održava pomoću

kisikove sonde već se regulira putem gustoće struje. Glavna karakteristika plazma

pougljičenja je bombardiranje površine čelika koncentracijom ugljikovih iona. Da bi to

postigli najprije moramo postaviti čelične predmete u visokotemperaturnu peć, s

razmakom među predmetima od 6 mm i oni služe kao katode. Unutrašnja

konstrukcija peći služi kao anoda te se između katode i anode formira plazma. Plin

koji se koristi za plazma pougljičenje je smjesa ugljikovodika (metan ili propan),

vodika i argona ili dušika. Za ionizaciju plina se koristi istosmjerni napon od 350 V do

21

1 kV kod tlaka od 0,013 do 0,33 bara. Atom ugljika u reakciji s površinom obratka

difundira u površinu materijala, što čini ovaj postupak bržim od drugih postupaka.

Proces se sastoji od faze uspostave plazme i faze zaustavljanje toka plazme

tj. difuzijske faze.

Prednosti plazma pougljičenja:

• skraćeno vrijeme postupka u odnosu na druge,

• povećanje difuzije ugljika i bolja topivost u austenitu,

• niža potrošnja plina i niža cijena,

• nije opasno za okoliš.

Nedostaci plazma pougljičenja:

• visoka cijena opreme,

• nepogodan za velike predmete.

6. KALJENJE

Bez obzira na način prethodnog pougljičenja postupak cementacije bit će

potpun tek nakon kaljenja čiji je cilj postizanje martenzitne strukture i visoke tvrdoće

površinskog sloja.

Izbor provođenja postupka toplinske obrade nakon pougljičenja ovise o

specifičnim zahtjevima i uvjetima kao što su osnovni zahtjevi na strukturna i

mehanička svojstva (čvrstoća, žilavost, dinamička izdržljivost, otpornost prema

trošenju) i svojstva primijenjenog čelika (nelegirani ili legirani čelik, finozrnati ili

grubozrnati čelik, osjetljivost na nastajanje zaostalog austenita).

Toplinska obrada nakon pougljičenja nije jednostavna zbog ravnomjernog

mijenjanja sadržaja ugljika u pougljičenom sloju od površine prema jezgri što

uzrokuje različiti tok strukturnih promjena u pojedinim dijelovima pougljičenog sloja.

22

Slika 11. Stanje u Fe-C dijagramu nakon pougljičenja [5]

Nakon pougljičenja jezgra je u području podeutektoidnih čelika, a površinski

sloj je u području nadeutektoidnog sastava. Polazni sadržaj ugljika u čeliku je

prijelazna zona koja pokazuje sadržaj ugljika te njegovo ravnomjerno opadanje

prema vrijednostima sadržaja jezgre. Nemoguće je odabrati jednu temperaturu

kaljenja koja bi bila optimalna za površinski sloj i za jezgru, jer optimalna temperatura

zavisi o sadržaju ugljika, a iznosi 30-70 °C iznad linije A3, a za nadeutektoidne čelike

50-70°C iznad linije A1. Kada bi se pougljičeni čelik kalio s temperaturom koja je

optimalna za kaljenje jezgre tada bi došlo do „pregrijanja“ površinskog sloja. Isto

tako, ukoliko bi se kalio s temperaturom za kaljenje površinskog sloja ne bi se dobila

potpuna austenitizacija čelika. Dakle, prilikom izbora temperature kaljenja mora se

ocijeniti da li su prioritetni zahtjevi na svojstva površinskog sloja ili jezgre.

Linije Ms i Mf tj. početak i kraj transformacije martenzita ovise o sadržaju

ugljika. Kod kaljenja (gašenja) prvo će se izvršiti pretvorba strukture u području

jezgre (kod viših temperatura), a tek kod nižih temperatura pretvorba austenita u

martenzit u površinskom sloju. Ohlađivanjem do sobne temperature u površinskom

sloju neće doći do potpune transformacije, pa će u strukturi biti prisutan zaostali

23

austenit. Stoga se potpuna transformacija može postići dubokim ohlađivanjem na

temperaturu ispod Mf.

Slika 12. Izgled cementiranog sloja prije (lijevo) i nakon (desno) toplinske obrade

kaljenja [5]

Do danas se razvilo više različitih postupaka toplinske obrade nakon

pougljičenja, a neki od njih su direktno kaljenje, jednostruko i dvostruko kaljenje.

6.1. DIREKTNO KALJENJE

Najjednostavniji i najjeftiniji postupak, čiji su nedostaci pogrubljivanje

austenitnog zrna i smanjenje žilavosti. Ostvaruje se hlađenjem u jednom rashladnom

sredstvu. Primjenjuje se kod jednostavnijih oblika i legiranih čelika (koristi se blaže

rashladno sredstvo) jer nema velike opasnosti od zaostalih naprezanja. Koriste se

kod standardnih kvaliteta čelika kada se ne postavljaju visoki zahtjevi u pogledu

strukture i mehaničkih svojstava. Ako ipak postoji potreba za visokim zahtjevima

24

koriste se „sitnozrnati čelici“ kod kojih ne dolazi do bitnog pogrubljenja zrna, te je

sklonost zaostalom austenitu manja.

U praksi se često primjenjuje direktno kaljenje „sa snižene temperature“.

Nakon pougljičenja, čelik se ohladi na nižu temperaturu, obično na temperaturu

kaljenja jezgre s koje se provodi kaljenje, čime se smanjuju deformacije koje nastaju

kod kaljenja, jer je temperaturna razlika kod kaljenja manja.

Slika 13. Direktno kaljenje [6]

6.2. JEDNOSTRUKO KALJENJE

Postupak se provodi sa temperatura koje odgovaraju temperaturama kaljenja

za površinski sloj ili sa temperatura koje odgovaraju za kaljenje jezgre.

Slika 14. Jednostruko kaljenje nakon ohlađivanja u kutiji s granulatom [6]

Postoji više varijanti postupka. Svima je zajedničko da se između pougljičenja i

kaljenja provede postupak kod kojega dolazi do pretvorbe austenita pa se kod

25

naknadne austenitizacije na temperature iznad A1 postiže bar djelomična

prekristalizacija koja ima za posljedicu usitnjenje zrna. Tijekom sporog ohlađivanja

koje slijedi nakon pougljičenja, postoji opasnost od stvaranja karbidne mreže po

granicama zrna u slučaju da je sadržaj ugljika u površinskom sloju iznad eutektoidne

koncentracije. Tada se preporučuje brzo ohlađivanje.

Jednostruko kaljenje nakon međužarenja ima za cilj smanjenje napetosti i

deformacija, no postupak ne donosi očekivano poboljšanje svojstava jer daljnje

kaljenje utječe na deformacije strojnih dijelova, a temperatura žarenja je preniska za

uklanjanje karbida.

Nakon pougljičenja u solnim kupkama, kao i u plinskim atmosferama provodi

se međuohlađivanje, tako da temperature pougljičenja čelika relativno brzo hladimo

do temperature oko 600°C. Zatim držimo odgovarajuće vrijeme na toj temperaturi pri

čemu se izvrši pretvorba austenita u perlitnom stupnju. Koliko će trajati vrijeme

držanja ovisi o vrsti čelika , a nakon toga se ugrijava na temperaturu kaljenja

površine ili jezgre. Prednosti ovog procesa je smanjenje ukupnog ciklusa procesa i

manji utrošak toplinske energije.

Slika 15. Jednostruko kaljenje ruba nakon izotermičke pretvorbe jezgre [6]

6.3. DVOSTRUKO KALJENJE

Postupak koji se ranije koristio za postizanje najviše površinske tvrdoće i

najbolje žilavosti jezgre, no u praksi ovi zahtjevi nisu bili ostvarivi. Najme, najbolja

žilavost dobivena prvotnim kaljenjem se kasnije bitno smanji drugim kaljenjem s niže

temperature. Na tim nižim temperaturama provede se samo djelomična

26

prekristalizacija jezgre, pa osim austenita imamo i ferit zbog kojih imamo smanjenu

žilavost.

Poseban je slučaj dvostrukog kaljenja kada se prvo kaljenje provede direktno

sa temperature pougljičenja, a drugo kaljenje s temperature koja odgovara za

površinski sloj.

Slika 16. Dvostruko kaljenje [6]

Za sve postupke kaljenja može se primjenjivati gašenje u vodi, ulju ili toploj

kupki ovisno o vrsti čelika i dimenzijama dijelova.

7. NISKOTEMPERATURNO POPUŠTANJE

Nakon kaljenja vrši se toplinska obrada popuštanja čelika čime se teži

ravnoteži faza (npr. struktura s feritom i perlitom) i mehaničkoj ravnoteži (uklanjanje

zaostalih naprezanja nastalih kaljenjem). Popuštanje je toplinska obrada koja se

izvodi samo poslije kaljenja zbog smanjenja napetosti i povećanja žilavost. Struktura

zakaljenih čelika je izbačena iz metalografske ravnoteže u pougljičenom dijelu zbog

naglog hlađenja. Zbog toga, postupkom popuštanja teži se postizanju kubičnog

martenzita. Neke od posljedica ove toplinske obrade su eliminacija zaostalih

naprezanja, povećanje žilavosti i rastezljivosti, smanjenje tvrdoće i čvrstoće te

smanjenje granica elastičnosti.

Proces popuštanja se odvija obično na temperaturama od 150 do 200°C (za

ugljične čelike 220°C) pri čemu je površinska tvrdoća od 58 do 62 HRC. Primjenjuje

se kod cementiranih, ugljičnih, alatnih i drugih čelika kod kojih se traži velika tvrdoća,

a ne toliko žilavost.

27

8. EKSPERIMENTALNI DIO

8.1. EKSPERIMENTALNI MATERIJAL

Kako bi ispitali utjecaj temperature na dubinu pougljičenje, za eksperimentalni dio

rada upotrebljavat će se tri različite vrste čelika za cementaciju. Devet epruveta

nelegiranog čelika Č.1221 (Ck 15), devet od legiranog čelika Č.4320 (16MnCr5) i

devet epruveta od Č.5426 (15CrNi13). U nastavku su opisani kemijski sastav i

mehanička svojstva korištenih čelika za ovaj rad.

Tablica 2. Kemijski sastav čelika [8]

Vrsta

čelika C Si Mn P S Cr Ni

Č.1221 0,12-0,18 ≤0,40 0,30-0,60 ≤0,035 ≤0,035 - -

Č.4320 0,14-0,19 ≤0,40 1,00-1,30 ≤0,035 ≤0,035 1,80-1,10 -

Č.5426 0,11-0,17 <0,40 0,30-0,60 <0,035 <0,035 1,25-1,75 3,25-3,75

Tablica 3. Mehanička svojstva čelika [8]

Oznaka čelika Sastav „ostalo“

%

Tvrdoća u isporučenom stanju,

HB

Slijepo kaljeno Ø 30 mm

Kaljenje

DIN 17006

HRN Rp0,2, N/mm2 min.

Rm, N/mm2

A5, %

min.

Jezgra, ºC

Rub, ºC

Ck15 Č1221 - 103-140 355 590-790 14 880-920;

voda -

16MnCr5 Č4320 1Cr 140-187 590 780-

1080 10

850-880;

ulje

810-840;

ulje

15CrNi13 Č5426 1,5Ni 152-201 635 880-

1180 9

840-870;

ulje

800-830;

ulje

Epruvete koje su korištene za eksperimentalni dio rada su izrezane na uzorke

određenih dimenzija nakon čega su numerirane prema zadanom planu pokusa. U

nastavku su tablično prikazana numeracija uzoraka za pojedini čelik, te tretmanu

kojemu su isti povrgnuti.

28

Tablica 4. Oznake uzoraka [10]

Materijal 𝑵 ≗ 𝒖𝒛𝒐𝒓𝒂𝒌𝒂

Č.1221 1, 2, 3 4, 5, 6 7, 8, 9

Č.4320 10, 11, 12 13, 14, 15 16, 17, 18

Č.5426 19, 20, 21 22, 23, 24 25, 26, 27

Tablica 5. Tretmani uzoraka [10]

Temperatura 𝑼𝒛𝒐𝒓𝒄𝒊 𝑵 ≗

880°C 1, 2, 3 10, 22, 12 19, 20, 21

920°C 4, 5, 6 13, 14, 15 22, 23, 24

950°C 7, 8, 9 16, 17, 18 25, 26, 27

Uzorci se razlikuju po obliku, tako su uzorci čelika Č.1221 i Č.4320 okruglog

oblika, a uzorci čelika Č.5426 pravokutnog oblika.

Dimenzije izrezanih uzoraka su sljedeće:

Č.1221 – Ø 35 x 10 mm

Č.4320 – Ø 35 x 13 mm

Č.5426 – 10 x 16 x 35 mm

Slika 17. Uzorci prije pougljičenja [10]

29

MATERIJALI

Č.1221

𝑇1 ≜ 880°𝐶

Uzorci 1, 2, 3

𝑇2 ≜ 920°𝐶

Uzorci 4, 5, 6

𝑇3 ≜ 950°𝐶

Uzorci 7, 8, 9

Č.4320

𝑇1 ≜ 880°𝐶

Uzorci 10, 11, 12

𝑇2 ≜ 920°𝐶

Uzorci 13, 14, 15

𝑇3 ≜ 950°𝐶

Uzorci 16, 17, 18

Č.5426

𝑇1 ≜ 880°𝐶

Uzorci 19, 20, 21

𝑇2 ≜ 920°𝐶

Uzorci 22, 23, 24

𝑇3 ≜ 950°𝐶

Uzorci 25, 26, 27

8.2. PLAN EKSPERIMENTALNOG DIJELA

Slika 18. Plan eksperimentalnog dijela

30

8.3. PROCES TOPLINSKE OBRADE – CEMENTACIJA

Toplinska obrada cementacije provedena je u pogonu tvrtke Adriadiesel d.d.

Proces pripreme sastoji se od slaganja i pozicioniranja uzoraka u čelične kutije

ispunjene mješavinom drvenog ugljena, veziva i aktivatora u obliku zrnatog granulata

veličine od 3 do 5 mm. Najprije se dno čelične kutije ispuni granulatom. Zatim se

ravnomjerno raspoređuju uzorci pazeći na razmak i položaj. Takva se priprema

ponavlja nekoliko puta, završivši slojem granulata, tj. konačnim prekrivanjem

uzoraka. Nakon što su uzorci prekriveni granulatom, čelična kutija zatvara se

poklopcem radi sprječavanja doticaja s okolinom.

Analiza rezultata po temperaturama

𝑇1 ≜ 880°𝐶

Uzorci:

Č.1221 1, 2, 3

Č.4320 10, 11, 12

Č.5426 19, 20, 21

Dijagram 1

𝑇2 ≜ 920°𝐶

Uzorci:

Č.1221 4, 5, 6

Č.4320 13, 14, 15

Č.5426 22, 23, 24

Dijagram 2

𝑇3 ≜ 950°𝐶

Uzorci:

Č.1221 7, 8, 9

Č.4320 16, 17, 18

Č.5426 25, 26, 27

Dijagram 3

Slika 19. Plan analize rezultata

31

Slika 20. Priprema i pozicioniranje uzoraka u čeličnu kutiju [10]

Nakon što su svi uzorci prekriveni granulatom, čelična se kutija ne puni do

vrha, nego se ostavlja mali dio na vrhu cca. 40 mm koji se ispunja zemljom da se

spriječi doticaj sa okolinom. Postupak pripreme završava se zatvaranjem čelične

kutije poklopcem.

Slika 21. Prikaz pripremljene čelične kutije za proces pougljičenja [10]

32

Sljedeći korak je proces pougljičenja koji se proveo u komornoj elektro peći na

tri temperature; 880°C, 920°C i 950°C.

Slika 22. Komorna elektro peć [10]

Pripremljena posuda s uzorcima stavlja se u komornu peć. Pougljičavanje se

vrši prema planu pokusa. Po tri uzoraka od svake vrste čelika, postepeno se

zagrijava te drži na zadanoj temperaturu (880°C, 920°C i 950°C). Nakon nekoliko sati

držanja na određenoj temperaturi, posuda s uzorcima se vadi iz peći te ostavlja da se

postepeno ohladi. Kada se materijal ohladi, uzorci se vade iz posude i odvajaju od

granulata.

33

Po završetku odvajanja uzoraka od granulata, slijedi proces kaljenja s ciljem

postignuća poboljšanja svojstva tvrdoće. Postupak se provodio tako da su uzorci

Č.1221 kaljeni u vodi (iz soli u vodu), pri temperaturi od 820°C, dok su uzorci Č.4320

i Č.5426 su termalno kaljeni (iz soli u sol) bez popuštanja.

Završenim kaljenjem proveden je i posljednji postupak niskotemperaturnog

popuštanja na temperaturi od 180°C. Ovim postupkom završen je proces

cementacije uzoraka.

Slika 23. Uzorci Č.1221 i Č.4320 nakon postupka cementacije [10]

34

Slika 24. Uzorci Č.5426 nakon postupka cementacije [10]

Postojeće uzorke nakon postupka cementacije potrebno je poprečno prerezati

po presjeku kako bi mogli pristupiti ispitivanju tvrdoće i dubine pougljičenja od

površine materijala do jezgre. Visokobrzinsko rezanje uzoraka izvedeno je pomoću

pile marke Buehler. Kako uslijed rezanja dolazi do trenja između pile i površine

materijala, a time i povećanjem temperature, nakon rezanja uzorci moraju proći

intenzivno hlađenje, čime se sprječava zagrijavanje i promjena strukture materijala.

Slika 25. Pila marke Buehler [10]

35

Odrezani dio uzorka prije ispitivanja potrebno je ispolirati. Postupak poliranja

izveden je pomoću polirke marke Buehler Ecomet 3. Iz već spomenutih razloga

porasta temperature, uzorci se nakon poliranja moraju ohladiti.

Slika 26. Polirka Buehler Ecomet 3 [10]

36

8.4. ISPITIVANJE TVRDOĆE I DUBINE POUGLJIČENJA

Nakon odrađene toplinske obrade i potrebne pripreme materijala za

ispitivanje, slijedi ispitivanje površinske tvrdoće. Ispitivanja tvrdoće su izvedena na

THR 6101 stolnom uređaju za mjerenje tvrdoće materijala prema Rockwell metodi.

Slika 27. Mjerni uređaj za ispitivanje tvrdoće [10]

Po završetku ispitivanja tvrdoće, provedeno je mjerenje dubine pougljičavanja

od površine materijala do dubine od 1,4 mm, s pomakom od 0,2 mm. Dubina

pougljičavanja je utvrđena mjernim uređajem LEITZ Durimet 2 mikroskopom.

37

Slika 28. LEITZ Durimet 2 mikroskop [10]

U nastavku slijede rezultati ispitivanja dubina pougljičavanja za svaki ispitani

materijal (Č.1221, Č.4320, Č.5426) na tri temperature (880°C, 920°C i 950°C).

Dijagramom su iskazani rezultati za svaki ispitani uzorak. Nakon svaka tri dijagrama

uzorka, slijedi jedan zajednički s izmjerenom efektivnom dubinom cementacije.

38

783

673

598

506

385

284 278

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 1

787

684

611

515

407

296268

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 2

8.4.1. REZULTATI ISPITIVANJA MIKROTVRDOĆE ZA ČELIK Č.1221

Č.1221 - 880°C (Uzorci 1,2,3)

550HV;0,72 mm - efektivna dubina cementacije

39

789

696

615

509

397

284 276

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 3

786,3

684,3

608

510

396,3

288 274

550

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

900,0

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

(H

V)

DUBINA (mm)

HV1 - Dijagram 1.1.

Slika 29. Dijagram uzoraka za Č.1221 na temperaturi 880°C

40

Č.1221 - 920°C (Uzorci 4,5,6)

550HV;1,12 mm – efektivna dubina cementacije

780753

691639

613

487

259 256

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 4

767 748705

648621

500

268 263

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 5

41


769744

700651

620

495

271 255

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 6

772748,3

698,7646

618

494

266 258

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

(H

V)

DUBINA (mm)

HV1 - Dijagram 2.1.

42

Č.1221 - 950°C (Uzorci 7,8,9)


850813

762720

645 626578

546

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 7

857 846

790741

676645

554 538

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 8

43


852820

775737

634 628

541499

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 9

853826,3

775,7732,7

651,7 633

557,7527,7

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

(H

V)

DUBINA (mm)

HV1 - Dijagram 3.1.

44


Č.4320 - 880°C (Uzorci 10,11,12)

550HV;0,63 mm – efetivna dubina cementacije

795

698

559

430

347

256 243

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 10

810

718

602

466401

367 354

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 11

45

Slika 32. Dijaram uzoraka za Č.4320 na temperaturi 880°C

787

679

567

402355

288 272

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 12

797,3

698,3

576

432,7

367,7

303,7 289,7

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

900,0

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

(H

V)

DUBINA (mm)

HV1 - Dijagram 2.1.

46

Č.4320 - 920°C (Uzorci 13,14,15)


794

733701

638

555

431 409

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 13

775728

689643

536

428 424

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 14

47


822

764721

665

594

476425

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 15

797

741,7703,7

648,7

561,7

445,0419,3

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

(H

V)

DUBINA (mm)

HV1 - Dijagram 2.2.

48

Č.4320 - 950°C (Uzorci 16,17,18)


819794

703657

625

563 544

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 16

815788

698

642591 576

526

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 17

49


809787

687635

587561

539

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 18

814,3789,7

696644,7

601,0566,7

536,3

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

900,0

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

(H

V)

DUBINA (mm)

HV1 - Dijagram 2.3.

50


Č.5426 - 880°C (Uzorci 19,20,21)


783

691

503

398

328 325 324

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 19

789

683

436

359334 330 328

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 20

51

Slika 35.Dijagram uzoraka za Č.5426 na temperaturi 880°C

812

743

521

379338 335 332

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 21

794,7

705,7

486,7

378,7333,3 330 328

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

900,0

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

(H

V)

DUBINA (mm)

HV1 - Dijagram 3.1.

52

Č.5426 - 920°C (Uzorci 22, 23, 24)


791

683

580547

438

335 332

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 22

787

675

576554

432

328 324

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 23

53


809

691

588533

446

339 335

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 24

795,7

683

581,3544,7

438,7

334 330,3

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

900,0

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

(H

V)

DUBINA (mm)

HV1 - Dijagram 3.2.

54

Č.5426 - 950°C (Uzorci 25, 26, 27)


854

786

722

654

568536 532

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 25

861

793743

657

573 551 546

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 26

55


848

761729

648

559 538 521

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

, H

V

DUBINA (mm)

HV1 - Uzorak 27

854,3

780,0731,3

653

566,7541,7 533

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

900,0

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

(H

V)

DUBINA (mm)

HV1 - Dijagram 3.3.

56

8.4.4. ANALIZA REZULTATA PO TEMPERATURAMA

Slika 38. Dijagram mikrotvrdoće Č.1221,Č.4320 i Č.5426 na temperaturi pougljičenja

880°C

Slika 39. Dijagram mikrotvrdoće Č.1221, Č.4320 i Č.5426 na temperaturi pougljičenja

920°C

00

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

(H

V)

DUBINA (mm)

HV1 - 880°C

Č.4320

Č.1221

Č.5426

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

(H

V)

DUBINA (mm)

HV1 - 920°C

Č.1221

Č.4320

Č.5426

57


950°C

Na temperaturi cementacije od 880°C najveća efektivna dubina pougljičenja

postignuta je kod čelika Č.1221 i ona iznosi 0,72 mm, potom slijedi Č.4320 s

dubinom od 0,63 mm, te Č.5426 s postignutom dubinom od 0,54 mm. Najveća

površinska mikrotvrdoća ispitanih materijala imao je Č.4320 sa iznosom od 797 HV.

Temperaturom cementacije od 920°C najbolje rezultate postigao je Č.1221 s

efektivnom dubinom cementacije od 1,12 mm. Najveću površinsku mikrotvrdoću imao

je Č.4320, nešto manje Č.5426, te na posljednjem mjestu Č.1221 sa iznosom

mikrotvrdoće od 772 HV.

Posljednja temperatura ispitivanja bila je 950°C. Na toj temperaturi najvišu

vrijednost dubine pougljičavanja ponovo je imao Č.1221 s efektivnom dubinom od

1,46 mm. Č.5426 imao je najmanju efektivnu vrijednost od sva tri materijala, na svim

temperaturama cementacije. Na ovoj temperaturi ona iznosi 1,12 mm. Najmanju

površinsku mikrotvrdoću imao je Č.4320.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

TVR

DO

ĆA

(H

V)

DUBINA (mm)

HV1 - 950°C

Č.1221

Č.4320

Č.5426

58

8.4.5. ANALIZA DUBINE (TEMPERATURE) ZA SVAKI POJEDINI ČELIK

Slika 41. Dijagram dubine pougljičenja Č.1221 na tri temperature


0,72; 880

1,12; 920

1,46; 950

800

840

880

920

960

0,50 0,70 0,90 1,10 1,30 1,50

TEM

PER

ATU

RA

(°C

)

DUBINA (mm)

Č.1221

1,31; 950

1,02; 920

0,63; 8800,63; 880

1,02; 920

1,31; 950

800

840

880

920

960

0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40

TEM

PER

ATU

RA

(°C

)

DUBINA (mm)

Č.4320

59


Pougljičenje se izvodilo na tri vrste čelika te na tri različite temperature u

krutom sredstvu. Čelici su se razlikovali u kemijskom sastavu, što se bitno odrazilo

na dobivene rezultate. Za svaki čelik dobiveni rezultati pokazali su veliku razliku u

efektivnoj dubini pri različitim temperaturama.

Najbolje rezultate na sve tri temperature imao je nelegirani Č.1221.

Promatrajući ponašanje tog čelika podvrgnutim različitim temperaturama uočava se

da najmanju dubinu pougljičavanja ima na najnižoj ispitanoj temperaturi, tj. 880°C,

nešto bolje na temperaturi 920°C s dubinom od 1,12 mm, a najbolje na temperaturi

950°C gdje je postigao rezultat efektivne dubine od 1,46 mm.

Analizirajući Č.4320 uočen je također velik porast efektivne dubine

pougljičenja s porastom temperature ispitivanja. Ovaj čelik na temperaturi 880°C

postiže dubinu pougljičenja od 0,63 mm, dok je najbolju dubinu postigao na

temperaturi 950°C. Također legirani Č.5426 daje nešto manje rezultate od prethodno

ispitanog materijala. Ovaj će čelik na temperaturi 880°C postići efektivnu dubinu od

0,54 mm, na temperaturi 920°C će porasti na 0,76 mm, dok na 950°C iznosi 1,12

mm.

1,12; 950

0,76; 920

0,54; 8800,54; 880

0,76; 920

1,12; 950

840

880

920

960

0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20

TEM

PER

ATU

RA

(°C

)

DUBINA (mm)

Č.5426

60

10. ZAKLJUČAK

Eksperimentalni dio ovoga rada bazira se na toplinskoj obradi cementacije i

ispitivanju koje se izvodilo u prostoru tvrtke Adriadiesel d.d..

U ovoj analizi nije bilo bitno vrijeme pougljičenja već je naglasak bio na

utjecaju temperature na dubinu pougljičenja kod nelegiranog Č.1221 (Ck 15) , te dva

legirana čelika Č.4320 (16MnCr5) i Č.5426 (15CrNi13). Već u samom kemijskom

sastavu ovih ispitanih materijala može se uočiti razlika koja također utječe na

rezultate ispitivanja dubine pougljičenja.

Analiza je izvedena na 27 uzoraka, od kojih 9 za svaku vrstu čelika tj.

temperaturu procesa pougljičenja. Temperature pougljičenja čiji je utjecaj analiziran

su 880°C, 920°C te 950°C. Analizirajući materijale na određenoj temperaturi može se

zaključiti da porastom temperature raste i dubina pougljičenja kod sva tri čelika.

Sukladno dijagramima može se očitati da najveću efektivnu dubinu na sve tri

temperature postiže Č.1221 koji na temperaturi pougljičenja od 950°C ima efektivnu

dubinu od 1,46 mm, što je znatno više u usporedbi s dva legirana čelika koji su na

istoj temperaturi postigli dubine od 1,31 mm za Č.4320, te 1,12 mm za Č.5426. No

ako se usporedi Č.1221 koji je pougljičen na temperaturi 920°C i Č.5426 pougljičen

na temperaturi 950°C, uočava se kako su postigli jednake rezultate efektivne dubine

od 1,12 mm. Može se zaključiti kako pravilan odabir temperature pougljičenja, za

određeni materijal koji se pougljičava, ima velik utjecaj na konačan rezultat dubine

pougljičenja.

61

LITERATURA

[1] Robert Sladonja: Tehnologija izrade i kontrola kvalitete cementiranih strojnih

dijelova, Karlovac, (2019.)

[2] Stjepan Kožuh: Specijalizirani čelici, skripta, Sisak, (2010.)

[3] „Tehnička enciklopedija“, glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod

Hrvatske,1987.

[4] Goran Havidić: Utjecaj pozicioniranja dijelova pri pougljičenju u krutom sredstvu

na rezultate dubine pougljičenja, Karlovac, (2018.)

[5] „Materijali II“, Igor Gabić, Slaven Šitić, Sveučilišni odjel za stručne studije, Split

2015.

[6] Liščić B.: Termokeijski postupci, Metalbiro Zagreb, (1981.)

[7] Bozić T.: Nastavni materijal, Veleučilište u Karlovcu

[8] „Strojarski priručnik“, Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.

[9] https://omnimerkur.hr/prodajni-program/crna-metalurgija/celici-za-cementiranje/ ,

dostupno 16.3.2020.

[10] Vlastita izrada

https://omnimerkur.hr/prodajni-program/crna-metalurgija/celici-za-cementiranje/

62

POPIS OZNAKA

Simbol

Jedinica

Značenje

ϑ TO ºC temperatura toplinske obrade

Dc cm2/s koeficijent difuzije ugljika

M g masa ugljika

t s vrijeme

Cpov % sadržaj ugljika na površini

Cp % C-potencijal ugljika

Cj % sadržaj ugljika u jezgri

def cm efektivna dubina pougljičavanja

T h vrijeme pougljičavanja

Re, Rp N/mm2 granica razvlačenja

Rp0,2 N/mm2 konvncionalna granica razvlačenja

Rm N/mm2 vlačna čvrstoća

A5 % produljenje

63

POPIS SLIKA

Slika 1. Opći dijagram procesa toplinske obrade [1] ................................................... 1

Slika 2. Mikrostruktura cementiranog zupčanika izrađenog iz čelika 16MnCr5 [2] ..... 3

Slika 3. Dijagram postupka cementacije [3] ................................................................ 7

Slika 4. Burns-ov dijagram [4] ..................................................................................... 8

Slika 5. Prikaz procesa pougljičenja čelika [3] .......................................................... 10

Slika 6. Utjecaj trajanja pougljičenja na dubinu pougljičenja [3] ................................ 11

Slika 7. Utjecaj temperature na dubinu pougljičenja za Č.1220 [3] ........................... 12

Slika 8. Prikaz tijeka promjene udjela ugljika u pougljičenom sloju [3] ...................... 13

Slika 9. Utjecaj vremena držanja izratka ( na temperaturi pougljičenja) na dubini

pougljičenog sloja za različita sredstva pougljičenja [5] ............................................ 14

Slika 10. Pougljičenje u krutom sredstvu [5] ............................................................. 16

Slika 11. Stanje u Fe-C dijagramu nakon pougljičenja [5]......................................... 22

Slika 12. Izgled cementiranog sloja prije (lijevo) i nakon (desno) toplinske obrade

kaljenja [5] ................................................................................................................ 23

Slika 13. Direktno kaljenje [6] ................................................................................... 24

Slika 14. Jednostruko kaljenje nakon ohlađivanja u kutiji s granulatom [6] ............... 24

Slika 15. Jednostruko kaljenje ruba nakon izotermičke pretvorbe jezgre [6] ............ 25

Slika 16. Dvostruko kaljenje [6] ................................................................................. 26

Slika 17. Uzorci prije pougljičenja [10] ...................................................................... 28

Slika 18. Plan eksperimentalnog dijela ..................................................................... 29

Slika 19. Plan analize rezultata ................................................................................. 30

Slika 20. Priprema i pozicioniranje uzoraka u čeličnu kutiju [10] ............................... 31

Slika 21. Prikaz pripremljene čelične kutije za proces pougljičenja [10] ................... 31

Slika 22. Komorna elektro peć [10] ........................................................................... 32

Slika 23. Uzorci Č.1221 i Č.4320 nakon postupka cementacije [10] ......................... 33

Slika 24. Uzorci Č.5426 nakon postupka cementacije [10] ....................................... 34

Slika 25. Pila marke Buehler [10] .............................................................................. 34

Slika 26. Polirka Buehler Ecomet 3 [10] ................................................................... 35

Slika 27. Mjerni uređaj za ispitivanje tvrdoće [10] ..................................................... 36

Slika 28. LEITZ Durimet 2 mikroskop [10] ................................................................ 37

64

Slika 29. Dijagram uzoraka za Č.1221 na temperaturi 880°C ................................... 39



Slika 32. Dijaram uzoraka za Č.4320 na temperaturi 880°C ..................................... 45



Slika 35.Dijagram uzoraka za Č.5426 na temperaturi 880°C.................................... 51



Slika 38. Dijagram mikrotvrdoće Č.1221,Č.4320 i Č.5426 na temperaturi pougljičenja

880°C ........................................................................................................................ 56


920°C ........................................................................................................................ 56


950°C ........................................................................................................................ 57

Slika 41. Dijagram dubine pougljičenja Č.1221 na tri temperature ........................... 58



65

POPIS TABLICA

Tablica 1. Čelici za cementaciju [2] ............................................................................ 2

Tablica 2. Kemijski sastav čelika [8] ......................................................................... 27

Tablica 3. Mehanička svojstva čelika [8] ................................................................... 27

utjecaj temperature na dubinu pougljiČenja

Documents